CN106677988B - 一种风光储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光储能系统，其包括：风电存储单元，利用间歇性的风电将常压空气压缩成高压空气储存在储气室中；光热存储单元，利用间断的太阳能集热器将冷油加热成为高温热油流入热油箱；透平发电单元，用于在储气室中存储压缩空气及热油箱中存储高温热油时进行发电。本发明利用间歇性的太阳能和风能进行储能，实现能源的稳定输出。

Description

一种风光储能系统

技术领域

本发明涉及一种能源转换与存储领域，特别涉及一种风光储能系统。

背景技术

随着全球能源危机的日益严重，各国都在大力发展可再生能源。2015年，可再生能源新增容量已经超过煤炭和天然气新增容量的总和，约59％的全球净电力新增装机来自可再生能源。其中，风电、太阳能和水电在其中占绝对优势。据专家预测，到2040年，中国超过三分之二的发电量将来自零碳排放资源，可再生能源占整个发电市场的比例将达到65％，其中，风能和太阳能的占比将从5％激增到37％。

然而，由于风能和太阳能受自然条件如天气、地理位置和气流变化等因素影响，具有很大的不确定性、随机性及间歇性等特点，对电网的调度、运行方式、可靠性、电能品质和运行成本都带来巨大的冲击。随着风电和太阳能发电规模的日益增大，其与电网的相容性问题也越发突出，迫切需要可行的解决方案以促进风电和太阳能的大规模利用。在诸多方法中，储能技术被公认为是根本解决风电大规模并网问题的主要途径。目前，世界上的储能技术归纳起来主要有物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池等)和电磁储能(如超导储能、超级电容储能等)这三大类。由于化学储能存在成本高、容量小、且对环境有污染等问题，目前尚不适宜开展大规模的工业化应用；而电磁储能开展研究的时间还不长，技术还不够成熟。因此，物理储能作为一种相对成熟也是实际应用较早的储能方式，在工业应用领域占主导地位。其中，压缩空气储能技术对地理环境要求较小，储能密度大，得到了广泛的研究。

传统的压缩空气储能技术利用间歇性可再生能源生产的电能驱动压缩机组压缩空气，将电能以高压空气的方式储存起来，当需要电能时，释放高压空气驱动膨胀机做功发电。其中，根据是否消耗燃料，压缩空气储能又分为补燃式和绝热式，补燃式发电量大，但效率不高，绝热式效率相对较高，但是发电量小。目前已有两座大型储能电站分别在德国(Huntorf)和美国(McIntosh)投入商业运行，另外中国，英国，日本等国也分别有压缩空气储能电站项目正在建设过程中。然而，目前已有的大容量压缩空气储能技术普遍采用补燃式，依赖化石能源，且没有实现能源的梯级利用，没有将各种可再生能源深度交叉融合应用，系统循环效率不高。

鉴于此，本发明亟需解决上述技术问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种利用可再生能源储能的风光储能系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种风光储能系统，其包括：风电存储单元，风电存储单元包括电动机、空气压缩机组和储气室，电动机的输出轴连接空气压缩机组的每一级空气压缩机，空气压缩机组的一级空气压缩机的进气口用于接入常压空气，后一级空气压缩机的进气口连接前一级空气压缩机的出气口，最后一级空气压缩机的出气口连接储气室的进气口，电动机利用间歇性的风电驱动空气压缩机组；光热存储单元，光热存储单元包括冷油箱、太阳能集热器和热油箱，太阳能集热器利用间断的太阳能光热加热经冷油箱中流出的冷油，所述热油箱用于存储经太阳能集热器加热后的高温热油；透平发电单元，用于在储气室中存储压缩空气及热油箱中存储高温热油时进行发电，透平发电单元包括透平膨胀机组、加热器组和主发电机，热油箱用于为加热器组的油加热器提供高温热油，加热器组的油加热器与透平膨胀机组的透平膨胀机一一对应，油加热器用于对储气室提供的压缩空气加热，透平膨胀机用于在加热压缩空气进入后膨胀做功，透平膨胀机的输出轴用于驱动主发电机旋转发电。

其中，透平膨胀机组包括一级透平膨胀机和二级透平膨胀机，加热器组包括一级油加热器和二级油加热器，热油箱的出油口分别连接一级油加热器和二级油加热器的进油口，一级油加热器的进气口和出气口分别连接储气室提供的压缩空气和一级透平膨胀机的进气口，二级油加热器的进气口和出气口分别连接一级透平膨胀机的出气口和二级透平膨胀机的进气口，一级透平膨胀机和二级透平膨胀机的输出轴均用于驱动主发电机旋转发电。

其中，透平膨胀机组进一步包括回热器，回热器的第一进气口和第一出气口分别连接储气室的出气口和一级油加热器的进气口，回热器的第二进气口连接二级透平膨胀机的出气口，第二出气口用于将提供回热后的空气排出。

其中，风电存储单元进一步包括冷水箱、冷却器组和热水箱，冷却器组包括与空气压缩机组一一对应的水冷却器，每一级水冷却器分别设置于与其对应的空气压缩机之后且用于冷却与其对应的空气压缩机的排气；冷水箱用于为冷却器组的每一级水冷却器提供冷源，热水箱用于存储每一级水冷却器在冷却空气压缩机的排气后产生的热水。

其中，风光储能系统进一步包括余热利用单元，余热利用单元包括有机工质蒸发器、有机工质泵、有机工质冷凝器、有机工质膨胀机和副发电机，加热器组的油加热器的出油口和热水箱的出水口分别连接至有机工质蒸发器且用于为有机工质蒸发器提供热源，有机工质蒸发器、有机工质膨胀机、有机工质冷凝器和有机工质泵首尾连接形成闭环，有机工质蒸发器用于将有机工质加热至蒸汽状态，有机工质膨胀机用于接收有机工质蒸汽进行膨胀做功，有机工质冷凝器用于接收膨胀后的低温低压有机工质并将其冷凝成液态，有机工质泵用于将接收液态低温低压有机工质并对其加压至有机工质蒸发器的入口压力，有机工质膨胀机的输出轴用于驱动副发动机旋转发电。

其中，余热利用单元进一步包括热水器，有机工质蒸发器的出油口和出水口分别连接至热水器的进油口和进水口，且用于为热水器提供热源，热水器的出水口连接至冷水箱的入水口，热水器的出油口连接冷油箱的进油口。

其中，透平膨胀机组中的透平膨胀机为径流式膨胀机、轴流式膨胀机中的至少一种。

其中，空气压缩机组中的空气压缩机为离心式压缩机、往复式压缩机、轴流式压缩机中的至少一种。

其中，储气室为压力容器、高压管道或地下岩穴。

其中，储气室的出气口设置调速阀，调速阀为单个节流阀或多个节流阀并联。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明风光储能系统的风电存储单元采用风电驱动的电动机提供储能动力，光热存储单元采用太阳能集热器储存太阳能进而将冷油加热为热油为透平发电单元提供热源，同时将间歇性风电和太阳能光热进行存储，在需要时将储存的能量释放，对外输出稳定的电能，实现能源的稳定输出；进一步地，太阳能和风能均为清洁的可再生能源，从而克服现有储能技术中对化工能源的依赖。

附图说明

图1是本发明风光储能系统一较佳实施例结构图。

具体实施方式

请参照图1，本发明风光储能系统包括风电存储单元、光热存储单元、透平发电单元和余热利用单元。

风电存储单元利用风电将常压空气压缩成高压空气进行储存。风电存储单元包括电动机1，空气压缩机组和储气室12。电动机1利用间歇性的风电驱动空气压缩机组。

风电驱动的电动机1为风电存储单元提供储能动力，将间歇性的风电进行存储，在需要时将储存的能量释放。电动机1的输出轴连接空气压缩机组的每一空气压缩机，空气压缩机组的一级空气压缩机的进气口用于接入常压空气，后一级空气压缩机的进气口连接前一级空气压缩机的出气口，最后一级空气压缩机的出气口连接储气室12的进气口。

为了减少压缩功的功耗，风电存储单元还包括冷水箱10和冷却器组，冷却器组包括与空气压缩机组的空气压缩机一一对应的水冷却器，每一级水冷却器分别设置于与其对应的空气压缩机之后且用于冷却与其对应的空气压缩机的排气，冷水箱10用于为冷却器组的每一级水冷却器提供冷源。

本实施例中，空气压缩机组为四级空气压缩机组，具体包括一级空气压缩机2、二级空气压缩机3、三级空气压缩机4和四级空气压缩机5；冷却器组包括一级水冷却器6、二级水冷却器7、三级水冷却器8和四级水冷却器9。冷水箱10的出水口连接一、二、三、四级水冷却器6、7、8、9的进水口，一、二、三、四级水冷却器6、7、8、9分别设置于一、二、三、四级空气压缩机2、3、4、5之后用于冷去对应的空气压缩机的排气；亦即，一级水冷却器6连接一级空气压缩机2的出气口和二级空气压缩机3的进气口，二级水冷却器7连接二级空气压缩机3的出气口和三级空气压缩机4的进气口，三级水冷却器8连接三级空气压缩机4的出气口和四级空气压缩机5的进气口，四级水冷却器9连接四级空气压缩机5的出气口和储气室12的进气口。

为了实现能源的最大化利用，风电存储单元还包括热水箱11。热水箱11用于储存冷却器组的每一级水冷却器在冷却对应的每一级空气压缩机的排气过程中产生的热水。具体地，热水箱11的进水口连接一、二、三、四级水冷却器6、7、8、9的出水口。热水箱11中存储的热水作为低温热源提供给余热利用单元。

光热存储单元包括冷油箱20、热油箱21和太阳能集热器22，冷油箱20中的油经太阳能集热器22加热后成为高温热油流入热油箱。由于，太阳能的采集受天气条件限制，冷油箱20中的冷油在阳光适宜时进入太阳能集热器22中，吸收太阳能，成为高温热油流入热油箱21。换句话说，太阳能集热器22利用间断的太能能光热加热经冷油箱20中流出的冷油，热油箱21用于存储经太阳能集热器22加热后的高温热油。

透平发电单元用于在储气室中存储压缩空气及热油箱21中存储高温热油时进行发电。透平发电单元包括透平膨胀机组、加热器组和主发电机19。热油箱21用于为加热器组的油加热器提供高温热油，加热器组的油加热器与透平膨胀机组的透平膨胀机一一对应。油加热器用于对储气室12提供的压缩空气加热，透平膨胀机用于在加热压缩空气进入后膨胀做功，透平膨胀机的输出轴用于驱动主发电机19旋转发电。

具体地，本实施例中，透平膨胀机组包括一级透平膨胀机17和二级透平膨胀机18，加热器组包括一级油加热器15和二级油加热器16。热油箱21的出油口连接一级油加热器15和二级油加热器16的进油口。一级油加热器15的进气口和出气口分别连接储气室12提供的压缩空气和一级透平膨胀机17的进气口，二级油加热器16的进气口和出气口分别连接一级透平膨胀机17的出气口和二级透平膨胀机18的进气口，一级透平膨胀机17和二级透平膨胀机18的输出轴均用于驱动主发电机旋转发电。

为了实现能源的最大化利用，透平膨胀机组还包括回热器14。回热器14实现储气室12提供的压缩空气与二级透平膨胀机18排出空气的换热，以对压缩空气进行预热。回热器14的第一进气口和第一出气口分别连接储气室12的出气口和一级油加热器15的进气口，在回热器中形成压缩空气预热流道；回热器14的第二进气口连接二级膨胀机的出气口，第二出气口用于将提供回热后的空气排出，在回热器14中形成排气流道。

在释能过程中，储气室12释放高压空气，通过调速阀13节流减压将空气压力将至一级空气透平17的进气口设计压力，同时维持气体流量不变。随后，高压空气在回热器14中被来自二级空气透平18的排气预热。在一级油加热器15中，预热后的高压空气被来自热油箱21的高温热油加热，然后进入一级空气透平17进行膨胀做功；一级空气透平17的排气进入二级油加热器16中同样被来自热油箱21的高温热油加热，然后进入二级空气透平18进行膨胀做功，二级空气透平18的排气进入回热器14对储气室12提供的高压空气进行预热。一、二级空气透平17、18输出的轴功驱动主发电机19旋转发电。

余热利用单元包括有机工质蒸发器23、有机工质泵27、有机工质冷凝器26、有机工质膨胀机24和副发电机25。加热器组的油加热器的出油口和热水箱的出水口分别连接至有机工质蒸发器23且共同用于为有机工质蒸发器提供热源，有机工质蒸发器23、有机工质膨胀机24、有机工质冷凝器26和有机工质泵27首尾连接形成闭环。有机工质蒸发器23用于将有机工质加热至蒸汽状态，有机工质膨胀机24用于接收有机工质蒸汽进行膨胀做功，有机工质冷凝器26用于接收膨胀后的低温低压有机工质并将其冷凝成液态，有机工质泵27用于将接收液态低温低压有机工质并对其加压至有机工质蒸发器23的入口压力，有机工质膨胀机24的输出轴用于驱动副发动机25旋转发电。

换句话说，来自热油箱21的高温热油经一级油加热器15和二级油加热器16后冷却成为中温热油，和来自热水箱11的热水一起进入有机工质蒸发器23，将有机工质加热至蒸汽状态；有机工质蒸汽随后进入有机工质膨胀机24进行膨胀做功，有机工质膨胀机24输出的轴功驱动副发电机25旋转发电。经有机工质膨胀机24膨胀后的低温低压有机工质蒸汽进入有机工质冷凝器26中，有机工质冷凝器26采用工业循环水将低温低压有机工质蒸汽冷凝成液态，液态低温低压有机工质进入有机工质泵27被加压至有机工质蒸发器23的入口压力。

为了实现能源的最大化利用，余热利用单元进一步包括热水器28。有机工质蒸发器23流出的热油和水进入热水器28中，利用残余热量生产生活热水，供储能电站使用。具体地，有机工质蒸发器23的出油口和出水口分别连接至热水器28的进油口和进水口，用于为热水器28提供热源，热水箱11提供的水为热水器28提供热源后经热水器28的出水口连接至冷水箱10的入水口完成水循环，热油为热水器28提供热源后经热水器28的出油口连接至冷油箱20的进油口完成油循环。

作为风电驱动的电动机的动力补充，电动机的电能来源还可以采用电网夜间低谷电。

空气压缩机组中的空气压缩机为离心式压缩机、往复式压缩机、轴流式压缩机中的至少一种。实际应用中，空气压缩机组的级数不受前述实施例的限制，例如可以是三级、五级等。

冷却器组中的水冷却器可以是管壳式换热器、套管式换热器、板翅式换热器中的任何一种。

优选地，冷水箱10和热水箱11均为带压水箱，内存液态工业软水。

储气室12为压力容器、高压管道和地下岩穴中的任何一种。

调速阀13为单个节流阀或多个节流阀并联。

回热器14、一级油加热器15和二级油加热器16为管壳式换热器、套管式换热器、板翅式换热器中的任何一种。

透平膨胀机组中的透平膨胀机为径流式膨胀机、轴流式膨胀机中的至少一种。透平膨胀机组中的技术不受实施例中两级的限制。

太阳能集热器22为槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式中的任何一种。

有机工质膨胀机24为透平膨胀机、螺杆膨胀机和涡旋膨胀机中的任何一种。

有机工质冷凝器26为水冷式冷凝器或者风冷式冷凝器。

区别于现有技术，本发明风光储能系统的风电存储单元采用风电驱动的电动机1提供储能动力，光热存储单元采用太阳能集热器22储存太阳能进而将冷油加热为热油为透平发电单元提供热源，同时将间歇性风电和太阳能光热进行存储，在需要时将储存的能量释放，对外输出稳定的电能，实现能源的稳定输出；进一步地，太阳能和风能均为清洁的可再生能源，从而克服现有储能技术中对化工能源的依赖。除了主发电机发电储能外，还充分利用储能过程中压缩机组的压缩热量加热的热水及高温热油经加热器组利用后排出的中温热油进行余热发电，最后还利用参与的热量生产热水就地使用，整个系统通过能源的梯级利用，大大提高了传统压缩空气储能的热效率，实现了将不稳定和间歇性的风能与太阳能转化为稳定的电能和热能输出。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种风光储能系统，其特征在于，所述风光储能系统包括：

风电存储单元，所述风电存储单元包括电动机、空气压缩机组和储气室，所述储气室的出气口设置调速阀，所述调速阀为单个节流阀或多个节流阀并联；所述电动机的输出轴连接所述空气压缩机组的每一级空气压缩机，所述空气压缩机组的一级空气压缩机的进气口用于接入常压空气，后一级空气压缩机的进气口连接前一级空气压缩机的出气口，最后一级空气压缩机的出气口连接所述储气室的进气口，所述电动机利用间歇性的风电驱动所述空气压缩机组；

光热存储单元，所述光热存储单元包括冷油箱、太阳能集热器和热油箱，所述太阳能集热器利用间断的太阳能光热加热经所述冷油箱中流出的冷油，所述热油箱用于存储经所述太阳能集热器加热后的高温热油；

透平发电单元，所述透平发电单元用于在所述储气室中存储压缩空气及所述热油箱中存储高温热油时进行发电，所述透平发电单元包括透平膨胀机组、加热器组和主发电机，所述热油箱用于为所述加热器组的油加热器提供高温热油，所述加热器组的油加热器与所述透平膨胀机组的透平膨胀机一一对应，所述油加热器用于对所述储气室提供的压缩空气加热，所述透平膨胀机用于在所述加热压缩空气进入后膨胀做功，所述透平膨胀机的输出轴用于驱动所述主发电机旋转发电；

所述风电存储单元进一步包括冷水箱、冷却器组和热水箱，所述冷却器组包括与所述空气压缩机组一一对应的水冷却器，每一级水冷却器分别设置于与其对应的空气压缩机之后且用于冷却与其对应的空气压缩机的排气；所述冷水箱用于为所述冷却器组的每一级水冷却器提供冷源，所述热水箱用于储存所述每一级水冷却器在冷却所述空气压缩机的排气后产生的热水；

所述风光储能系统进一步包括余热利用单元，所述余热利用单元包括有机工质蒸发器、有机工质泵、有机工质冷凝器、有机工质膨胀机和副发电机，所述加热器组的油加热器的出油口和所述热水箱的出水口分别连接至所述有机工质蒸发器且用于为所述有机工质蒸发器提供热源，所述有机工质蒸发器、有机工质膨胀机、有机工质冷凝器和有机工质泵首尾连接形成闭环，所述有机工质蒸发器用于将有机工质加热至蒸汽状态，所述有机工质膨胀机用于接收所述有机工质蒸汽进行膨胀做功，所述有机工质冷凝器用于接收膨胀后的低温低压有机工质并将其冷凝成液态，所述有机工质泵用于将接收液态低温低压有机工质并对其加压至所述有机工质蒸发器的入口压力，所述有机工质膨胀机的输出轴用于驱动副发动机旋转发电。

2.根据权利要求1所述的风光储能系统，其特征在于，所述透平膨胀机组包括一级透平膨胀机和二级透平膨胀机，所述加热器组包括一级油加热器和二级油加热器，所述热油箱的出油口分别连接所述一级油加热器和所述二级油加热器的进油口，所述一级油加热器的进气口和出气口分别连接所述储气室提供的压缩空气和所述一级透平膨胀机的进气口，所述二级油加热器的进气口和出气口分别连接所述一级透平膨胀机的出气口和所述二级透平膨胀机的进气口，所述一级透平膨胀机和所述二级透平膨胀机的输出轴均用于驱动所述主发电机旋转发电。

3.根据权利要求2所述的风光储能系统，其特征在于，所述透平膨胀机组进一步包括回热器，所述回热器的第一进气口和第一出气口分别连接所述储气室的出气口和所述一级油加热器的进气口，所述回热器的第二进气口连接所述二级透平膨胀机的出气口，第二出气口用于将提供回热后的空气排出。

4.根据权利要求1所述的风光储能系统，其特征在于，所述余热利用单元进一步包括热水器，所述有机工质蒸发器的出油口和出水口分别连接至热水器的进油口和进水口，且用于为热水器提供热源，所述热水器的出水口连接至冷水箱的入水口，所述热水器的出油口连接所述冷油箱的进油口。

5.根据权利要求1所述的风光储能系统，其特征在于，所述透平膨胀机组中的透平膨胀机为径流式膨胀机、轴流式膨胀机中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的风光储能系统，其特征在于，所述空气压缩机组中的空气压缩机为离心式压缩机、往复式压缩机、轴流式压缩机中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的风光储能系统，其特征在于，所述储气室为压力容器、高压管道或地下岩穴。

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